一种基于深度学习的无透镜全息显微镜装置

据麦姆斯咨询报道，近日，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）Aydogan Ozcan教授研究团队在Scientific Reports上报道了通过现场便携式设备（称为c-Air）实现了对呼出的电子烟（electronic cigarettes，e-cigs）气溶胶直接进行挥发性测量，该便携式设备是一种基于深度学习的无透镜全息显微镜装置。

c-Air设备和电子烟商店中进行气溶胶挥发性测量的现场实验

电子烟在最近几年得到了广泛使用，从不吸烟的青少年和年轻人成为主要的消费群体。这些小型手持设备通常会蒸发电子烟液（e-liquids），其中含有溶解在丙二醇（PG）和植物甘油（VG）（PG和VG的体积比不同）中的尼古丁和调味剂。使用电子烟会产生一团快速蒸发的颗粒。吸入这些颗粒可能对健康产生不利影响，基于此引发了大量研究。实验室研究表明，释放的气溶胶颗粒浓度、大小和质量分布以及化学成分与电子烟液的类型、蒸发器的额定功率以及环境因素（如室温和湿度）有关。早期的研究还通过使用不同的方法测量颗粒的挥发性来量化电子烟排放的动态变化。先前基于c-Air的研究是在实验室环境中进行的（非人体直接“吸”电子烟），结果表明电子烟颗粒的挥发性随着电子烟液的化学成分而变化，例如PG和VG的体积比以及电子烟液中的尼古丁含量。

除了这些基于实验室的实验之外，还有几项其他的研究集中于电子烟商店内呼出的电子烟气溶胶。电子烟商店是销售和消费电子烟的零售场所。与专注于从电子烟设备直接排放的气溶胶的实验室研究不同，在电子烟商店中研究的电子烟气溶胶是通过人体肺部呼出的颗粒（也称为二手电子烟气溶胶）。与实验室研究相比，由于受到人体本身吸电子烟、吸的电子烟种类不同，以及室内存在不均匀的空气等因素的影响，导致电子烟气溶胶在电子烟商店中的动力学研究要复杂得多。此外，控制较少的环境变量，如室温和湿度，会给这些气溶胶的动力学研究增加其他复杂因素。为了更好地了解电子烟的动力学行为，这些实验可以在定期监测这些环境变量的情况下进行。

为了对电子烟气溶胶进行分析，美国加州大学洛杉矶分校的研究人员在一家电子烟商店进行了一系列现场实验。在四天的实验中，他们定期对室内空气进行采样，采样间隔约为16分钟，并用c-Air收集呼出的颗粒。除了电子烟商店内使用的c-Air设备外，还配置了一台空气动力学粒径谱仪（Aerodynamic Particle Sizer，APS），每2分钟取样一次，以对电子烟商店内的粒度分布进行单独测量。通过c-Air记录收集到的颗粒的延时在线全息图，并使用卷积神经网络重建，从而生成颗粒的相位恢复显微图像。
 

检测到的每种气溶胶挥发性的计算：从原始全息图到体积衰减率

在电子烟商店为期四天的c-Air实验中，研究人员总共进行了115次不同的测量，同时APS以每2分钟采样一次的速度对空气进行采样。为了揭示所有收集到的颗粒的动态变化（每次c-Air测量的颗粒通常有数百到数千个），研究人员计算了每次测量的平均体积衰减率。体积衰减率量化了颗粒的蒸发速度，因此，体积衰减率越高，表明蒸发速度越快，挥发性越高。通过c-Air实验量化的挥发性动力学研究表明，在室内吸电子烟增加了空气中挥发性和半挥发性颗粒的百分比。

在不同的实验日，平均体积衰减率和挥发性气溶胶百分比的变化

在电子烟商店内采样的挥发性、半挥发性和非挥发性颗粒的体积变化

这项研究的一些局限性可能会影响其普遍应用。首先，在现场测试过程中，二手电子烟气溶胶的化学成分仍然未知（包括未知、随机的消费者/蒸汽），并且没有测量/控制室温和湿度等环境变量。其次，研究人员使用的设备（APS和c-Air）被放置在不同的空间位置。如果没有足够的通风，这两个设备的测量结果可能无法完全比较。第三，由于使用c-Air设备的采样是手动控制的，所以电子烟和测量之间的时间间隔是可变的。最后，液滴和采样基板之间的相互作用仍然不受控制。采样垫内的液体扩散可能会对挥发性的判断产生一些不确定性。c-Air设备的进一步改进和更多受控实验（不影响测量系统的成本效益和现场便携性）可用于提供有关室内使用电子烟的更有价值的信息。研究人员报道的方法和结果可以进一步指导关于室内电子烟气溶胶挥发性特征的研究。

论文信息：
Çetintaş, E., Luo, Y., Nguyen, C. et al. Characterization of exhaled e-cigarette aerosols in a vape shop using a field-portable holographic on-chip microscope. Sci Rep 12, 3175 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41598-022-07150-2